CN115425416A - 基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及宽带天线装置设计与波束控制技术，具体地说是一种可用于雷达和通信等无线电系统中的基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置，其特征在于，设有折叠偶极子对数周期天线辐射器、超薄半开放金属腔体、局部加载的微波吸波材料、高介电常数覆盖介质、集中加载电阻，其中折叠偶极子对数周期天线辐射器放置在金属腔体中，微波吸波材料局部填充于金属腔体内，高介电常数覆盖介质覆盖于低频振子处，覆盖范围大于低频振子对应的区域；本发明中的基于多重加载的宽带天线设计方案适合应用于超宽带雷达系统、无源测向系统、电子对抗系统、电子侦察系统和超宽带通信系统中，重要较为重要的应用价值和实际意义。
Description
技术领域：
本发明涉及宽带天线装置设计与波束控制技术，具体地说是一种可用于雷达和通信等无线电系统中的基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置。
背景技术：
在导弹被动制导雷达、电子侦察和超宽带无线通信等领域，宽带天线及其阵列作为电磁信号的传感器装置，发挥着重要作用。在实际工作平台下，通常天线安装空间极为有限，特别是在载体平台为飞行器时，往往要求天线及其阵列使用适应载体空间的尺寸和形状，保持气动特性，但是同时天线的辐射性能和电路性能不能严重恶化，因此，载体平台上的宽带天线需要具有小型化、低剖面和宽带的辐射性能，特殊条件时，天线应该有波束调控能力，实现预期的波束指向。
超宽带天线通常用作被动接收的场合，要求天线具有宽带的阻抗和辐射性能，以实现预期空间范围的信号接收和参数测量，因此，往往对天线的辐射方向图的指向有一定的要求，往往天线的波束宽度越宽越有利。带宽天线的原理和方法包括角形结构天线、自补结构天线、自相似天线、增大电流辐射面积、补偿与加载等。
在传统天线的实际应用中，天线大都是直接暴露在空气中，既受空气的氧化腐蚀，又不利于天线的隐蔽性，特别是恶劣环境对天线的损害以及天线性能的影响会更大。介质埋藏天线由于自身体积小、隐蔽性强、稳定性好、能够较好地保护天线，拓展带宽等特点，越来越受到国内外学者的重视。因为整个天线被介质覆盖，介质中存在介质损耗、辐射损耗、表面波损耗等，介质埋藏天线辐射效率降低。
发明内容：
本发明针对飞行器平台的超宽带被动雷达系统中的天线传感器技术要求，提出了一种采用多重加载技术的小型化和低剖面宽带天线及波束调控技术的基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置。
本发明通过以下措施达到：
一种基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置，其特征在于，设有折叠偶极子对数周期天线辐射器、超薄半开放金属腔体、局部加载的微波吸波材料、高介电常数覆盖介质、集中加载电阻，其中折叠偶极子对数周期天线辐射器放置在金属腔体中，微波吸波材料局部填充于金属腔体内，高介电常数覆盖介质覆盖于低频振子处，覆盖范围大于低频振子对应的区域；
所述折叠偶极子对数周期天线辐射器中的振子类型为折叠偶极子，馈电方式采用宽带巴伦结构，假设第n个振子和第n-1个振子的长度分别为Ln和Ln-1，第n个振子和第n-1个振子的宽度分别为Wn和Wn-1，第n个振子和第n-1个振子的位置分别为Rn和Rn-1于是有：
折叠偶极子对数周期天线辐射器的激励端为共面带状线，共面带状线为平衡结构的传输线，并引入宽带巴伦。
本发明宽带巴伦采用集成式的宽带Balun，输出端为共面带状线，输入端为特性阻抗为50欧姆的微带线，采用扇形枝节进行阻抗调配，引入渐变线阻抗变换段，共同实现阻抗变换和平衡到不平衡的变换，实现输入端的阻抗匹配；为了减少Balun对折叠偶极子对数周期天线的遮挡，以达到减少辐射方向图影响的目标，本发明采用异形金属铜箔地板，金属铜箔地板呈六边形，其中底边与介质基板边缘平齐，底边的对边为顶边，顶边与底边平行设置，顶边一端连接竖直延伸段的上端，顶边的另一端连接第一斜边的上端，其中顶边与竖直延伸段的夹角为90°，顶边与第一斜边的夹角大于90°，竖直延伸段的下端与第二斜边的上端相连，第二斜边的下端与底边一端相连，底边的另一端与第一斜边的下端相连，其中第一斜边与第二斜边互相平行。
本发明的折叠偶极子对数周期宽带天线的低频振子长度为53毫米，振子个数为14，加载的覆盖介质的相对介电常数为9.8，介质基板厚度为10毫米，长度为120毫米，覆盖于低频振子处，范围大于低频振子对应的区域；金属腔体深度为10毫米，腔体底部填充常规的微波吸波材料，损耗角正切值约为0.5，吸波材料为局部加载。
本发明在超薄的金属腔体底部，局部填充微波材料，设计微波吸波材料的厚度、损耗角正切和尺寸，在保证天线增益的条件下，调整宽带天线的波束形状。在天线的低频振子处，采用集总电阻的分布式加载，吸收低频处的反射电磁波能量，减少低频处的回波损耗。在整个折叠偶极子对数周期天线辐射器的上方，加载高介电常数的介质材料，实现介质埋藏的效果，由于慢波效应，导致天线的电尺寸减缩，实现小型化的效果；在本发明设计的介质埋藏技术方案中，埋藏介质由顶部的低损耗高介电常数介质材料和底部的高介电常数高损耗材料与金属边界共同组成，其尺寸和性能由全波电磁仿真和优化确定。
本发明针对飞行器载体平台环境，根据宽带天线的波束调控要求，提出了一种基于多重加载的宽带天线设计方案及天线装置，该天线装置采用折叠偶极子对数周期天线作为基本辐射器，针对天线安装平台为金属导体的实际情况，引入了部分吸收边界、介质埋藏和集中电阻等多重加载技术，改善天线的低频处的工作性能，调控天线的辐射方向图，达到天线波束覆盖和探测与信号测量的要求。本发明设计了集成巴伦馈电的折叠偶极子对数周期天线辐射器，天线性能稳定、波束较宽、成本低廉、易于加工和装配；多重加载技术的引入，使得宽带天线的设计方式更为灵活，自由度大，为实际工作中特殊性能需求的天线设计提供了技术途径。本发明中的基于多重加载的宽带天线设计方案适合应用于超宽带雷达系统、无源测向系统、电子对抗系统、电子侦察系统和超宽带通信系统中，重要较为重要的应用价值和实际意义。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图，其中图1(a)整体结构示意图，图1(b)是去除覆盖介质后的天线结构图，图1(c)是天线的金属边界以及吸波材料边界示意图。。
附图2是本发明中折叠偶极子对数周期天线辐射器的分解示意图，其中图2(a)是折叠偶极子对数周期天线辐射器的结构示意图；图2(b)是辐射器的主视图，图2(c)是辐射器的后视图。
附图3是本发明中继承印刷巴伦的结构图，其中图3(a)是立体图，图3(b)是主视图，图3(c)是后视图。
附图4是本发明中折叠偶极子对数周期天线辐射器的参数示意图。
附图5是天线端口的回波损耗仿真结果。
附图6是频率为1.2GHz时的天线辐射特性仿真结果，图6(a)三维增益方向图，图6(b)三维轴比方向图，图6(c)在xoz面的增益方向图，图6(d)在xoz面的轴比方向，图6(e)在yoz面的增益方向图，图6(f)在yoz面的轴比方向图。附图7频率为2GHz时的天线辐射特性仿真结果，图7(a)三维增益方向图
图7(b)三维轴比方向图，图7(c)在xoz面的增益方向图，图7(d)在xoz面的轴比方向图，图7(e)在yoz面的增益方向图，图7(f)在yoz面的轴比方向图。
附图8频率为3GHz时的天线辐射特性仿真结果，图8(a)三维增益方向图，图8(b)三维轴比方向图，图8(c)在xoz面的增益方向图，图8(d)在xoz面的轴比方向图，图8(e)在yoz面的增益方向图，图8(f)在yoz面的轴比方向图。
附图9频率为4GHz时的天线辐射特性仿真结果，图9(a)三维增益方向图，图9(b)三维轴比方向图，图9(c)在xoz面的增益方向图，图9(d)在xoz面的轴比方向图，图9(e)在yoz面的增益方向图，图9(f)在yoz面的轴比方向图。
附图10频率为5GHz时的天线辐射特性仿真结果，图10(a)三维增益方向图，图10(b)三维轴比方向图，图10(c)在xoz面的增益方向图，图10(d)在xoz面的轴比方向图，图10(e)在yoz面的增益方向图，图10(f)在yoz面的轴比方向图。
附图11频率为6GHz时的天线辐射特性仿真结果，其中图11(a)是三维增益方向图，图11(b)三维轴比方向图，图11(c)在xoz面的增益方向图，图11(d)在xoz面的轴比方向图，图11(e)在yoz面的增益方向图，图11(f)在yoz面的轴比方向图。
附图标记：1为覆盖介质，2为折叠偶极子对数周期天线辐射器，3为同轴电缆，4为吸波材料，5为集总电阻，6印刷反射器振子，7为印刷折叠偶极子阵列，8为集成印刷Balun，9为共面带状线，10为扇形调配枝节，11为渐变线阻抗变换器，12为特性阻抗为50欧姆的微带传输线，13为异形金属地板。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
本发明针对飞行器平台的超宽带被动雷达系统中的天线传感器技术要求，提出了一种采用多重加载技术的小型化和低剖面宽带天线设计方案及波束调控技术。
在通常的飞行器载体平台上，被动雷达天线需要安装在金属平台表面，因此，飞行器表面可以看作是电壁的边界条件；在雷达探测制导或者电子侦察工作模式下，天线波束尽可能覆盖飞行器轴向前端区域，即尽可能为端射方向；当常规的宽带天线放置于飞行器表面时，由于金属表面的边界条件影响，天线的波束发生偏移，改变其覆盖范围；另一方面，由于飞行器载体空间的限制，要求天线具有低剖面的结构形式，尽可能占据较小的空间，因此，设计在飞行器载体平台上安装的宽带天线时，往往要求天线具有低剖面、小型化的结构特点，同时，天线还应满足要求的波束指向和覆盖范围。
本发明基于折叠偶极子对数周期天线辐射器结构，引入介质埋藏技术、集总电阻加载和金属腔体局部吸波加载技术，改善天线的低频性能，实现对天线波束的调控。本发明设计的基于多重加载的宽带天线结构模型如图1所示。图2为折叠偶极子对数周期天线辐射器的结构模型图，图3为折叠偶极子对数周期天线辐射器馈电的Balun结构模型图。图4为折叠偶极子对数周期天线辐射器参数示意图。
本发明设计的多重加载的宽带天线结构主要包括折叠偶极子对数周期天线辐射器、超薄半开放金属腔体、局部加载的微波吸波材料、高介电常数覆盖介质、集中加载电阻，如图1所示。其中Eleven天线是十倍频带宽对数周期偶极子阵列，完整的Eleven馈源由三部分组成：四个对数周期偶极子瓣(即Eleven天线)，中心反射板(结合地平面的前后两侧)和后侧馈电网络(巴伦和功分器)。Eleven天线具有非常好的特性：在整个带宽内，有几乎恒定的波束宽度、方向性和固定的相位中心位置，低轮廓和简单的几何形状，因此，Eleven天线非常适合做反射面馈源。Eleven馈源可以接收双线极化波，对于每个线性极化，天线由两个相对位置的对数周期偶极子阵列组成，即两个偶极子瓣。在几何中心，每个偶极子瓣连接到平衡双线传输线，特性阻抗为200Ω。两个相对位置的双引线传输线必须结合相同的振幅和相位才能组成一个线极化。同样，其余两个相对位置的偶极子瓣以同样的方式结合，以组成正交线极化。若用两个正交的线性极化端口通过线性正交的方式可以组成圆极化。
本发明中折叠偶极子对数周期天线辐射器如图2所示，其中的振子类型为折叠偶极子，馈电方式采用宽带巴伦结构，如图3所示。折叠偶极子对数周期天线辐射器采用印刷电路形式，振子长度、振子宽度、振子间距都呈现周期性变化。对数周期的结构，那么它就有着与对数周期类似的工作原理。
假设某个折叠偶极子臂处于谐振状态，那么靠近馈电点(物理尺寸更短)的折叠偶极子臂在输入端呈现很大的容抗，臂上电流很小，加上较小的尺寸，因此辐射很微弱。当折叠偶极子臂的尺寸增大到谐振振子臂时，输入阻抗呈现纯电阻，折叠偶极子臂上电流大，辐射增强，截获了传输线上大部分能量，成为了折叠偶极子阵列上的主要辐射区域。接着折叠偶极子臂尺寸进一步增加，但是由于大部分能量已经被谐振振子臂所截获，因此后面的能量很少，辐射微弱。在每一工作频率下，参与辐射的偶极子有尺寸小于谐振频率折叠偶极子的2～4个短折叠偶极子臂和物理尺寸更大的1个折叠偶极子臂，它们组成了折叠偶极子阵列的“工作区域”。
因此，折叠偶极子阵列按照对数周期的原理可以分为三个区域，从折叠偶极子臂尺寸由短到长(工作频率由高到低)排列分别是“传输区域”、“工作区域(有源区域)”、“反射区域(截止区域)”。每个工作频率，对应了一条相应长度的折叠偶极子臂，而与之相邻的两条折叠偶极子臂也会参与到主要辐射工作中。因此在每个工作频率下，电流主要集中在三条折叠偶极子臂上，也就是有源区域；截止区域由物理尺寸比工作区域折叠偶极子尺寸更长一些的折叠偶极子构成，其上面有极其微弱的电流，主要起反射作用；传输区域由物理尺寸比工作区域折叠偶极子更短一些的折叠偶极子构成，主要起电流传输的作用。随着频率的下降，有源区域部分从内向外移动。
在本发明中，天线振子的长度、折叠振子的宽度和位置是按照不同的比例引子变化的，这种设计便于灵活优化天线的阻抗和辐射特性。假设第n个振子和第n-1个振子的长度分别为Ln和Ln-1，第n个振子和第n-1个振子的宽度分别为Wn和Wn-1，第n个振子和第n-1个振子的位置分别为Rn和Rn-1于是有：
折叠偶极子对数周期天线辐射器的激励端为共面带状线，共面带状线为平衡结构的传输线，因此，当采用同轴线馈电时，需要引入宽带Balun；在本发明中，设计了一种集成式的宽带Balun，该Balun的输出端为共面带状线，输入端为特性阻抗为50欧姆的微带线，采用扇形枝节进行阻抗调配，引入渐变线阻抗变换段，共同实现阻抗变换和平衡到不平衡的变换，实现输入端的阻抗匹配；为了减少Balun对折叠偶极子对数周期天线的遮挡，以达到减少辐射方向图影响的目标，本发明设计了异形的金属铜箔地板，根据电流分布，对原有的金属铜箔地板进行了修形处理，具体的金属铜箔地板如图2(c)所示。
在本发明中，宽带折叠偶极子对数周期天线辐射器需要放置在超薄的金属腔体中，以便于天线能够安装在飞行器金属表面，因此，需要设计宽带天线的波束控制方案。本发明考虑到宽带天线的波束调控、小型化和低剖面的要求，引入了高介电常数介质埋藏、微波吸波材料局部加载和集总电阻加载的多重加载技术，综合实现预期的电磁调控效果。低频振子是对应于长度较长的折叠偶极子，因此，本发明的加载部分对应于长振子所在区域。在超薄的金属腔体底部，局部填充一定吸收性能的微波材料，设计微波吸波材料的厚度、损耗角正切和尺寸，在保证天线增益的条件下，调整宽带天线的波束形状。在天线的低频振子处，采用集总电阻的分布式加载，吸收低频处的反射电磁波能量，减少低频处的回波损耗。在整个折叠偶极子对数周期天线辐射器的上方，加载高介电常数的介质材料，实现介质埋藏的效果，由于慢波效应，导致天线的电尺寸减缩，实现小型化的效果；在本发明设计的介质埋藏技术方案中，埋藏介质由顶部的低损耗高介电常数介质材料和底部的高介电常数高损耗材料与金属边界共同组成，其尺寸和性能由全波电磁仿真和优化确定。
实施例：
本发明设计了一种多重加载的折叠偶极子对数周期宽带天线装置，关注低频处的方向图特性，采用全波电磁仿真技术对设计的天线进行了性能仿真，结果表明了多重加载产生的小型化和波束调控的效果。
本发明设计的多重加载的折叠偶极子对数周期宽带天线的低频振子长度为53毫米，振子个数为14，加载的覆盖介质的相对介电常数为9.8，介质基板厚度为10毫米，长度为120毫米，覆盖于低频振子处，范围略大于低频振子对应的区域；金属腔体深度为10毫米，腔体底部填充常规的微波吸波材料，损耗角正切值约为0.5，吸波材料为局部加载；仿真得到的回波损耗特性如图7所示，由图可见，在工作频点1.2GHz～6GHz范围，该天线端口的平均回波损耗约为-7dB在低频处，即1.2GHz～2GHz处，回波损耗有所改善。
图5至图11分别给出了频率为1.2GHz到6GHz的六个频点的天线辐射特性仿真结果，在每一个频点上，分别给出了三维增益方向图、三维轴比方向图、在xoz面的增益方向图、在xoz面的轴比方向图、在yoz面的增益方向图、在yoz面的轴比方向图。由仿真结果可以看出，该天线在低频处表现出辐射性能的改善，波束得到了预期的调控，主波束指向向端射方向改进；天线的轴比随着空间变化显著，表明天线的极化特性的变化较大，在应用中需加以补偿。
Claims (3)
1.一种基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置，其特征在于，设有折叠偶极子对数周期天线辐射器、超薄半开放金属腔体、局部加载的微波吸波材料、高介电常数覆盖介质、集中加载电阻，其中折叠偶极子对数周期天线辐射器放置在金属腔体中，微波吸波材料局部填充于金属腔体内，高介电常数覆盖介质覆盖于低频振子处，覆盖范围大于低频振子对应的区域；
所述折叠偶极子对数周期天线辐射器中的振子类型为折叠偶极子，馈电方式采用宽带巴伦结构，假设第n个振子和第n-1个振子的长度分别为Ln和Ln-1，第n个振子和第n-1个振子的宽度分别为Wn和Wn-1，第n个振子和第n-1个振子的位置分别为Rn和Rn-1于是有：
折叠偶极子对数周期天线辐射器的激励端为共面带状线，共面带状线为平衡结构的传输线，并引入宽带巴伦。
2.根据权利要求1所述的一种基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置，其特征在于，宽带巴伦采用集成式的宽带Balun，输出端为共面带状线，输入端为特性阻抗为50欧姆的微带线，采用扇形枝节进行阻抗调配，引入渐变线阻抗变换段，共同实现阻抗变换和平衡到不平衡的变换，实现输入端的阻抗匹配；为了减少Balun对折叠偶极子对数周期天线的遮挡，以达到减少辐射方向图影响的目标，本发明采用异形金属铜箔地板，金属铜箔地板呈六边形，其中底边与介质基板边缘平齐，底边的对边为顶边，顶边与底边平行设置，顶边一端连接竖直延伸段的上端，顶边的另一端连接第一斜边的上端，其中顶边与竖直延伸段的夹角为90°，顶边与第一斜边的夹角大于90°，竖直延伸段的下端与第二斜边的上端相连，第二斜边的下端与底边一端相连，底边的另一端与第一斜边的下端相连，其中第一斜边与第二斜边互相平行。
3.根据权利要求1所述的一种基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置，其特征在于，折叠偶极子对数周期宽带天线的低频振子长度为53毫米，振子个数为14，加载的覆盖介质的相对介电常数为9.8，介质基板厚度为10毫米，长度为120毫米，覆盖于低频振子处，范围大于低频振子对应的区域；金属腔体深度为10毫米，腔体底部填充常规的微波吸波材料，损耗角正切值为0.5，吸波材料为局部加载。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202110531066.3A CN115425416A (zh) | 2021-05-16 | 2021-05-16 | 基于多重加载的超宽带折叠偶极子天线装置 |
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| CN115425416A true CN115425416A (zh) | 2022-12-02 |
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN115425416A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115882217A (zh) * | 2023-02-21 | 2023-03-31 | 南通大学 | 一种低阻抗多源激励的半圆折叠天线 |
-
2021
- 2021-05-16 CN CN202110531066.3A patent/CN115425416A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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